基于光纤振动传感的长输管道清管器跟踪定位方法

李叶斌 姚国斌 郭志宏 雷继鹏

（华新燃气集团有限公司）

在长输油气管道投产和服役运行过程中，清管作业是一项非常重要的工作。 新建管道投产前，管道内遗留物和打压试验遗留水较多，清管作业能够有效清除管道内的水和施工遗留物［1～4］。在管道服役运行过程中，通过清管作业清扫管内杂物、积液和积污，可以提高管道输送效率、减少摩阻损失、减轻管道内壁腐蚀，实现在线管内检测，延长管道使用寿命［5］。 但是，在长输油气管道清管作业过程中，清管器的卡堵现象一直困扰着工程技术人员，尤其是长输管道，距离长，管线周边地区环境条件差，发生卡堵后清管器不能准确定位，导致管道输送停止的问题时有发生，严重时甚至危及管道安全。 因此，对清管器进行准确跟踪定位是保障清管作业顺利进行的强有力措施，对于保证长输管道的正常稳定运行、提高输送效率和保障安全生产十分重要。

传统清管器跟踪定位方法按工作原理大致可分为放射性同位素法、机械法、声学法、压力法和电磁法5类， 具体又可以细分为若干种定位方法［6，7］。 但由于存在管道自身、土壤和外界其他干扰因素， 使得清管器的跟踪定位存在各种困难，传统方法各有优点但又有各自的局限性，如跟踪方法复杂、抗干扰能力弱、无法全程连续跟踪及需要大量的人力物力保障等。 为此，设计具有实时性、能连续采集数据、稳定可靠、使用简便且运行维护成本低的清管器跟踪定位方法十分必要。

1 技术方案结构

在长输油气管道清管作业过程中，清管器在管道内运行时会与管道内壁摩擦并与管道接口处的环焊缝、 螺旋焊缝等碰撞产生振动信号［8，9］，该类信号会对长输油气管道沿线同沟敷设的通信光纤中的光信号产生扰动作用。 由光纤的泊松效应、应变效应和弹光效应可明确，管道中的摩擦、撞击等振动信号作用于光纤上，会令光纤振动位置处的折射率发生变化，进而导致光纤内光的相位发生变化［10，11］。根据此原理，并利用长输油气管道沿线同沟伴随敷设的通信光缆搭建光纤振动传感系统，对管道内作业运行的清管器进行在线实时准确的跟踪定位，可有效解决长输管道清管作业过程中发生卡堵后无法准确定位清管器的问题。

现以燃气管道为例，设计的基于光纤振动传感的长输燃气管道清管器跟踪定位系统的总体架构如图1所示，系统包括光源模块、两种类型的耦合器、传感部分、光电信号转换、信号采集及信号解析上位机系统等模块。 图1中，S表示延迟光纤臂的长度；L表示振动信号发生位置与传感光纤起始端的距离；H表示振动信号发生位置与传感光纤末端的距离，则L+H表示传感光纤的总长度。

图1 燃气管道清管器跟踪定位系统总体架构

光源模块。 在光纤传感系统中，产生光源的激光器的选择至关重要。 本方案中，搭建的直线型振动传感系统采用光的干涉原理，光源模块选择干涉型宽带光源激光器，在整个系统运行过程中提供连续稳定的干涉光源。

光电探测器。 光电探测器在结构上采用平衡探测器， 能够有效抑制系统中的共模噪声干扰。光电探测器能探测到光信号的变化情况，并将光信号的变化转换为电信号的变化，输出的模拟电信号传输至数据采集卡。 结构连接如图1所示，其双端口的一端连接3×3耦合器的端口2，另一端连接3×3耦合器的端口3。 光电探测器采用双端口输入方式，能有效提高其灵敏度。

数据采集卡。 数据采集卡将变化的模拟电信号进行A/D转换并高速采集， 其采集结果经由通信模块实时传输至信号解析上位机系统。 数据采集卡搭载的通信模块集无线通信与有线通信于一体。 无线通信支持4G和WiFi网络传输；有线通信方式为RJ45接口，适用于就地数据采集和远程数据中心数据采集场景。

信号解析上位机系统。 由于数据采集卡具有方便灵活的数据传输方式，信号解析上位机系统采用C/S架构，既可以部署在数据中心的虚拟化云服务平台上， 也可以部署在就地工作的PC机上。在云端部署时，可以将跟踪定位结果以服务方式发布，方便其他工程师在移动端或工作站上远程监控。

耦合器。 在系统结构设计上共使用两种类型耦合器，耦合器输出端的光信号在各项参数上具有一致性。 如图1所示，系统中传感光纤起始端的耦合器用于将两束入射光耦合成一束光，当传感光纤中的入射光经末端耦合器反射后，再次进入起始端耦合器，此时传感光纤起始端耦合器将一束光分为两束光。 然后3×3耦合器的端口4和端口6处分别接收两束反射光，此时3×3耦合器处实现两束反射光的干涉，将干涉结果的光信号传输至光电探测器。

传感光纤与延迟光纤。 在传感光纤的选择上，使用长输管道同沟敷设的通信光纤中的一芯作为传感光纤即可，对它按技术要求进行改装即可实现其传感功能。 系统中的延迟光纤在光程上提供一个时间差，限制系统4条光路中仅有2条光路满足光的干涉条件。

2 技术方案原理

2.1 干涉光路设计

图1所示的清管器跟踪定位方法在结构上可形成4条光路，分别如下：

a. 光路1， 端口6→延迟光纤→2×1耦合器→1×2耦合器→2×1耦合器→延迟光纤→端口6。 激光器的干涉光源从3×3耦合器的端口1射入、端口6射出，进入一段延迟光纤，然后进入传感光纤起始端的2×1耦合器，射出进入传感光纤，在传感光纤的末端经1×2耦合器反射后， 再次经由传感光纤进入起始端的2×1耦合器， 然后原路经由延迟光纤返回到3×3耦合器的端口6。

b. 光路2， 端口6→延迟光纤→2×1耦合器→1×2耦合器→2×1耦合器→端口4。 与光路1不同的是，传感光纤中的反射光经由传感光纤进入起始端的2×1耦合器后，未经过延迟光纤，而是直接进入3×3耦合器的端口4。

c. 光路3，端口4→2×1耦合器→1×2耦合器→2×1耦合器→延迟光纤→端口6。 激光器的干涉光源从3×3耦合器的端口1射入、 端口4射出后未经延迟光纤， 直接进入传感光纤起始端的2×1耦合器射出进入传感光纤， 在传感光纤的末端经1×2耦合器反射后，再次经由传感光纤进入起始端的2×1耦合器，然后经由延迟光纤返回到3×3耦合器的端口6。

d. 光路4，端口4→2×1耦合器→1×2耦合器→2×1耦合器→端口4。 与光路3不同的是，传感光纤中的反射光经由传感光纤进入起始端的2×1耦合器后， 未经延迟光纤直接进入3×3耦合器的端口4。

在4条光路中，显然光路1的光程最大，光路2、3的光程一致，光路4的光程最小。 由光形成干涉所需的条件分析可知，系统中有且仅有光路2、3满足所需的干涉条件， 能够且发生干涉的位置在3×3耦合器， 所以光电探测器探测到的光信号变化是光路2、3的光信号在3×3耦合器干涉后的光信号变化。

2.2 定位原理

如图1所示，在光路2、3中，当没有振动信号扰动传感光纤时， 光信号在光路中稳定传输，此时的干涉结果是一个保持不变的稳定状态。 当有振动信号扰动传感光纤时， 根据弹光效应可知，在振动信号的扰动作用下，光纤的折射率发生改变从而引起光信号的相位发生变化，其中光信号的相位变化信息中含有振动信号的位置信息，笔者的目的是通过检测光信号的变化情况，解析出振动信号发生的位置信息。

首先， 将实时检测到的时域振动信号进行实时傅里叶变换，经过傅里叶级数展开后，得到多个具有不同幅值、 频率、 相位的正弦波的组合， 用一个正弦函数来表达展开结果组合中的正弦波：

其中，f（t）为振动信号引起的光相位变化的傅里叶展开结果，可以有N个正弦波；N为正整数，是光相位变化经傅里叶级数展开后得到的正弦波数量；Ax、ωx、φx分别为第x个正弦波的幅值、频率和相位；t为传感光纤上振动信号发生所持续的时间长度。

用振动信号的发生位置将光路2、3分别分为前、后两段光路，共4段光路。令光路2的前半程与后半程中光的传输时间分别为t1、t2，光路3的前半程与后半程中光的传输时间分别为t3、t4，假设f1（t）为振动信号引起的光路2中的相位变化，f2（t）为振动信号引起的光路3中的相位变化，则有：

设光在真空中的传播速度为c， 系统中所用光纤的折射率为n， 则由光纤中光的传输关系可得t1、t2、t3、t4：

令Δf（t）为光路2、3的相位差，则有：

将t1、t2、t3、t4代入上述计算式， 并用三角函数和差化积公式得到光路2、3的相位差Δf（t）：

振动信号频率f满足以下关系式：

信号解析上位机系统中，对传输回来的信号进行实时傅里叶变换， 得到其频域频谱数据，对频谱数据进行分析找到零频点，然后用有限数量的零频点解析出振动信号发生的实时位置，即为清管器的实时位置，由此实现对管道中运行的清管器的实时跟踪定位。

3 试验管段测试验证

选择在华新燃气集团有限公司的晋城市沁水县“南大阀室-郭家岭”城镇燃气管道工程项目中，对燃气管道光纤传感预警系统进行工程示范建设，其中基于光纤振动传感的清管器跟踪定位方法测试监测对象为“南大阀室-郭家岭”管段，长度10.805 km、管径DN355.6 mm、设计压力4.0 MPa。项目中除沿线敷设通信光纤外，另外同沟敷设传感光缆4根，共计13芯，其中单模7芯、多模6芯，单根长度约10 km。 选择其中一芯单模光纤，使用光纤跳线及其他辅材搭建光纤振动传感系统，用于对清管器与管道焊缝和管壁摩擦碰撞产生的振动信号进行检测，实现对清管器的跟踪定位。 另外3根分别用于温度检测、应变检测和冗余备用。项目对管道的振动检测、应变检测、温度检测结果融合分析应用，实现对管道上多种危险源的实时监测识别。

3.1 时域信号测试结果分析

管道工程建设中， 管道沿线同沟敷设光纤，由于施工及其他外部环境因素干扰，在先期测试中，主要对传感光纤中的大衰减点进行了调测与排除，并对光纤存在的断点进行熔接修复，保证它在功能上满足传感测试需求。 系统主机安装在南大阀室，在管道投产前委托第三方中油管道检测技术有限责任公司对投产管道进行清管作业。在本次清管作业过程中，项目组对该清管器跟踪定位系统进行了现场调测。 信号解析上位机系统从数据采集卡获取实时电压信号，并截取其中约30 s的数据（图2）进行分析，可以看出，每隔5～7 s，实时信号中会有一次明显的扰动，其余时间内振动信号处于相对稳定的状态，波动幅度较小。

图2 采集到的实时振动信号

查阅项目施工资料得到管道最小焊接单元是每节12 m的无缝钢管， 这样一节一节焊接起来，经分析得知，每隔5～7 s产生的明显的扰动信号主要来自清管器与管道环焊缝的碰撞，其余波动幅度较小的振动信号是清管器与管道内壁相互摩擦产生的或者管线周边的其他背景噪声。 分析时域振动信号可以得到清管器在管道中的运行速度约2 m/s。

本次清管作业后，中油管道检测技术有限责任公司在该段管道的内检测报告中给出的清管器在该段管道中的运行速度曲线如图3所示。 对比分析图2、3可知， 两组不同的数据在对清管器的运行速度计算结果上是吻合的，这证明了实时振动信号采集结果是准确的，即该系统能够对管道中运行的清管器与管道相互作用产生的振动信号进行实时检测。

图3 清管器在管道中的运行速度

3.2 信号解析结果

数据采集卡对光电探测器的输出电压信号进行高速采集，并将采集结果实时传输至信号解析上位机系统。 在上位机软件系统中，对时域的实时信号进行傅里叶变换，得到实时信号的频谱数据。

在算法上，通过对频谱分析和各频率信号对应的时域信号进行比较，获得所需的零频点频率值。 由定位原理的推导结果可知，零频点有多个，且其频率值关系为奇数倍等差排列，每一个零频点可解析出一次实时振动位置参数。 对求出的多个振动信号位置参数求算术平均值，将算术平均值结果作为振动信号发生的理论位置，并将它呈现在人机界面上供工程人员实际作业参考用，如图4所示。

图4 清管器在线实时定位系统定位结果人机界面

由图4可以得到系统计算结果是15:44:20～15:44:28这段时间里，清管器所在位置约为9 460 m，且存在后一时刻的清管器位置在前一时刻的位置之前的错误结果，这是由于在算法上获得的零频点数量不一致，导致最终解析得到的位置信息有一定的误差。 但在工程实际应用中，10 m以内的定位误差是可以接受的。

4 结束语

将基于光纤传感的长输管道清管器跟踪定位方法， 在10 km城镇燃气管道工程投产清管作业中进行了工程示范测试验证， 定位结果表明，该方法具有工程应用价值，可实现对管道中运行的清管器进行在线实时跟踪定位，解决了长输管道在清管器发生卡堵问题后不能进行准确定位的工程问题。

在未来的应用中， 可与燃气管道SCADA系统、燃气管道GIS系统集成，在SCADA系统或GIS系统中实时标识清管器在管道中的位置。 另外，还可以利用实时定位信息，分析清管器在管道中的运行速度，并对可能出现卡堵的位置做出预警报警，指导现场工程技术人员实时调整清管器的运行参数，从根本上杜绝卡堵问题的发生。